RS49726B - Element hlađenja pirometalurškog reaktora i postupak za njegovu proizvodnju - Google Patents

Abstract

Postupak za proizvodnju rashladne ploče pirometalurškog reaktora, pri čemu se ta ploča proizvodi klizećim livenjem visoko toplotno provodljivog bakra i ima najmanje jedan protočni kanal za rashladnu vodu, u osnovi okruglog ili ovalnog poprečnog preseka, koji se izrađuje u rashladnoj ploči tokom livenja, nazanačen time, što se radi poboljšanja sposobnosti prenosa toplote rashladne ploče, površina zida najmanje jednog protočnog kanala unutar rashladne ploče povećava izradom jednog ili nekoliko žlebova unutar površine protočnog kanala pomoću ožljebljenog vretena tokom livenja ili mašinskom izradom navoja ili žlebova kao u cevi puške, posle livenja. Prijava sadrži još 1 nezavisan i 2 zavisna patentna zahteva.

Description

Ovaj pronalazak se odnosi na postupak za proizvodnju elementa hlađenja sa protočnim kanalima, za pirometalurške reaktore, pri čemu taj element ima najmanje jedan protočni kanal i gde se proizvodnja elementa postiže neprekidnim Trvenjem, tj. klizećim livenjem. Da bi se poboljšala sposobnost elementa da prenosi toplotu, povećava se spoljašnja površina kanala za hlađenje s obzirom na njegov okrugao ili ovalan oblik u poprečnom preseku, bez povećavanja prečnika ili dužine protočnog kanala. Ovaj pronalazak se takođe odnosi element proizveden na ovaj način.

Vatrostalnost reaktora u pirometalurškim procesima zaštićena je elementima hlađenja koji se hlade vodom tako da, kao rezultat hlađenja, toplota koja dolazi na površinu vatrostalnog materijala putem elementa hlađenja u vodu znatno smanjuje habanje ozida u poređenju sa reaktorom koji se ne hladi. Smanjeno habanje je prouzrokovano uticajem hlađenja koje dovodi do formiranja takozvanog autogenog ozida koji se pričvršćuje za površinu ozida koji je otporan na toplotu i koji se formira od troske i drugih supstanci nataloženih u fazi topljenja.

Obično se elementi hlađenja proizvode na dva načina: primarno se elementi mogu proizvoditi livenjem u pesku, gde su cevi za hlađenje izrađene od visoko termičkog provodljivog materijala, kao što je bakar, stavljaju u kalup formiran u pesku i hlade se vazduhom ili vodom tokom livenja oko cevi. Element koji se lije oko cevi je takođe od visoko termičkog propustljivog materijala. Preporučuje se da to bude bakar. Ovakav postupak proizvodnje opisan je u patentu Velike Britanije br. 1386645. Jedan problem u vezi sa ovim postupkom je nejednako pričvršćivanje cevovoda, koji ima ulogu kanala za hlađenje, za liveni materijal koji ga okružuje zato što neke od cevi mogu biti u potpunosti oslobođene elementa izlivenog oko njih i deo cevi se može u potpunosti istopiti i tako oštetiti. Ukoliko se metalna veza ne formira između cevi za hlađenje i ostatka livenog elementa oko nje, transfer toplote neće biti efikasan. Opet, ukoliko se cevovod u potpunosti istopi, to će sprečiti protok vode za hlađenje. Karakteristike livenja ovog livenog materijala mogu se poboljšati, na primer mešanjem fosfora sa bakrom, da bi se poboljšala metalna veza formirana između cevovoda i livenog materijala, ali u ovom slučaju karakteristike prenosa toplote (toplotna provodljivost) bakra su znatno oslabljene čak i malim dodavanjem. Jedna od prednosti ovog postupka koju vredi pomenuti je njegova komparativno niska cena proizvodnje i nezavisnost od dimenzija.

Drugi postupak proizvodnje koji se koristi je da se stakleni cevovod u obliku kanala stavlja u kalup elementa hlađenja koji se lomi nakon livenja da bi oformio kanal unutar elementa.

Patent Sjedinjenih Država 4,382,585 opisuje drugi, mnogo korišćeni postupak izrade elemenata hlađenja, prema kome se element proizvodi, na primer, od valjane ili kovane bakarne ploče tako što se u njoj prave potrebni kanali mašinskim putem. Prednost elementa napravljlenog na ovaj način je njegova gusta, jaka struktura i dobar prenos toplote od elementa do medijuma hlađenja kao što je voda. Njegovi nedostaci su dimenzionalna ograničenja (veličina) i visoka cena.

Dobro poznati postupak u stanju tehnike je proizvodnja elementa hlađenja za pirometalurški reaktor livenjem neprekidnog šupljeg profila kao, npr. klizećim livenjem kroz vreteno. Element se proizvodi od visoko termičkog provodljivog metala kao što je bakar. Prednost ovog postupka je gusta struktura livenja, dobar kvalitet površine, kao i da liveni kanal za hlađenje pruža dobar prenos toplote od elementa do medijuma hlađenja tako da se ne javlja nikakvo ometanje prenosa toplote, već se toplota koja dolazi iz reaktora do elementa hlađenja prenosi bez ikakvog otpora viška prenosa toplote direktno do površine kanala i dalje do vode za hlađenje. Poprečni presek kanala za hlađenje uobičajeno je ovalan, a vreteno ima glatku površinu. Ovakva vrsta kanala za hlađenje pomenuta je u patentu Sjedinjenih Država broj 5,772,955.

Međutim, da bi se poboljšala sposobnost prenosa toplote elementa hlađenja preporučuje se da se poveća površina prenosa toplote elementa. Kao što je prikazano u daljem objašnjenju, prema ovom pronalasku, to se javlja povećavanjem spoljašnje površine zida protočnog kanala bez povećavanja prečnika ili dodavanja dužine. Površina zida protočnog kanala elemeta hlađenja povećava se formiranjem žljebova u zidu kanala tokom livenja ili mašinskim dodavanjem žljebova ili navoja u kanal nakon livenja tako da poprečni presek kanala ostaje neophodno okrugao ili ovalan. Kao rezultat ovoga, sa istom količinom toplote, potrebna je manja razlika u temperaturi između vode i zida protočnog kanala i čak manja temperatura elementa hlađenja. Ovaj pronalazak se takođe odnosi na elemente hlađenja proizvedene ovim postupkom. Važne karakteristike ovog pronalaske jasno će se videti u priloženom patentnom zahtevu.

Sposobnost elementa hlađenja da primi toplotu može se predstaviti putem sledeće formule:

O = a x A x AT,pri čemu je

Q = količina toplote koja se prenosi [W]

a = koeficijent prenosa toplote između zida protočnog kanala i vode [W/Km<2>]

A = površina prenosa toplote [ni<2>]

AT = razlika u temperaturi između zida protočnog kanala i vode [K]

Koeficijent prenosa toplote a može se teorijski odrediti putem formule

Nu= a D/ X

X= toplotna provodljivost vode [W/mK]

D = hidraulični prečnik [m]

IliNu = 0. 023 x ReA0. 8Pl* 0. 4,

pri čemu su

Re =vvDp/77

w = brzina [m/s]

D = hidraulični prečnik [m]

p= gustina vode [kg/m<3>]

77= dinamički viskozitet

Pr = Prandtlov broj []

Stoga, prema prethodno navedenom, moguće je uticati na količinu toplote prenetu u element hlađenja utičući na razliku u temperaturi, koeficijent prenosa toplote ili površinu prenosa toplote.

Razlika u temperaturi između zida i cevi je ograničena činjenicom da voda ključa na 100°C, kada komponente prenosa toplote pri normalnom pritisku postanu značajno gore zbog kuvanja. U praksi je bolje raditi pri najmanjoj mogućoj temperaturi u zidovima protočnih kanala.

Na koeficijent prenosa toplote može se u mnogome uticati promenom brzine protoka, tj. uticanjem na Rejnoldsov broj. Ovo je, međutim, ograničeno povećanim gubitkom u pritisku u cevovodu prilikom povećanja brzine tečenja koji povećava troškove pumpanja vode za hlađenje, a i troškovi investiranja u pumpu takođe znatno rastu nakon prelaska izvesne granice.

Po konvencionalnom rešenju, na površinu prenosa toplote može se uticati bilo povećanjem prečnika rashladnog kanala i/ili njegove dužine. Prečnik kanala hlađenja ne može se neograničeno povećavati na takav način tako da bude opravdan u smislu ekonomičnosti zbog toga što povećanje u prečniku kanala povećava količinu vode koja je potrebna da bi se postigla izvesna brzina protoka i osim toga, potreba energije za pumpanje. S druge strane, prečnik kanala je ograničen fizičkom veličinom elementa hlađenja koja se, iz razloga smanjenja troškova investiranja, preporučuje da se pravi što je moguće manji i što lakši. Drugo ograničenje na dužini je fizička veličina samog elementa hlađenja, tj. količina rashladnog kanala koja će stati u datu zonu.

Ukoliko se želi povećati površina prenosa toplote elementa hlađenja koji je ovde prikazan, to se čini menjanjem oblika zida protočnog kanala klizeći livenim elementom hlađenja da bi se postigla veća površina prenosa toplote, izračunata po jedinici dužine protočnog kanala, sa istim protočnim poprečnim presekom (ista brzina postiže se sa istom količinom vode). Ovo povećanje u površini se postiže, na primer, putem sledećih sredstava: Najmanje jedan protočni kanal, neophodno okrugao u poprečnom preseku, formira se u klizeći livenom elementu hlađenja tokom livenja, a navoji se mašinski dodaju u protočni kanal nakon livenja.

Najmanje jedan protočni kanal, neophodno ravan u poprečnom preseku,

formira se u livenom elementu hlađenja tokom klizećeg livenja i cevni žljebovi se mašinski dodaju protočnim kanalu nakon livenja. Žljebovi se na bolji način mogu napraviti upotrebom takozvanog proširujućeg vretena koje se provlači kroz protočni kanal. Žljebovi se npr. mogu napraviti u vidu rupe koja je zatvorena na jednom kraju, u kom slučaju se vreteno povlači vani. Rupa napravljena u kanalu, koja je otvorena na oba kraja, pravi se ili guranjem ili provlačenjem alatke koja je dizajnirana za tu svrhu kroz kanal.

Najpogodnije povećanje površinskog sloja postiže se formiranjem, tokom livenja, jednog ili više užljebljenih, preporučuje se ravno užljebljlenih, protočnih kanala u elementu hlađenja, upotrebom za tu svrhu dizajniranog vretena za livenje sa žljebovima. Uprkos pravljenju žljebova, oblik protočnog kanala je još uvek neophodno okrugao ili ovalan u poprečnom preseku. Upotrebom ovog postupka izbegavaju se etape mehaničke mašinske obrade nakon livenja.

U svim prethodno opisanim postupcima očigledno je da, ukoliko postoje delovi kanala u protočnom kanalu poprečni u odnosu na pravac livenja, ti delovi se mašinski proizvode, na primer bušenjem, a otvori koji ne pripadaju kanalu se zapušavaju.

Prednost ovog postupka kojim se povećava površina prenosa toplote, a koji je opisan u ovom pronalasku, upoređen je sa postupkom stanja tehnike uz pomoć primera koji je ovde dat. Sa primerom su dati neki dijagrami radi ilustracije pronalaska, u kojima

Slika 1 prikazuje glavni crtež elementa hlađenja korišćenog u testovima,

Slika 2 prikazuje poprečni presek profila testiranog elementa hlađenja,

Slike 3a - 3d označavaju tempraturu unutar elementa na različitim tačkama merenja kao funkcije temperature topljenja,

Slika 4 prikazuje koeficijent prenosa toplote izračunat iz merenja uzetih kao funkcije topljenja, i

Slika 5 predstavlja razlike u temperaturi vode za hlađenje i zida kanala na različitim nivoima hlađenja za normalizovane elemente hlađenja.

Primer

Elementi hlađenja koji se odnose na ovaj pronalazak testirani su u praktičnim testovima, gde su dna tih elemenata A, B, C i D potopljena u istopljeno olovo dubine od oko 1cm. Element hlađenja A imao je uobičajeni protočni kanal glatke površine i ovaj element je upotrebljen za komparativna merenja. Količina vode za hlađenje i temperatura su, kako pre uvođenja vode u element hlađenja tako i nakon toga, pažljivo izmereni u testovima. Temperatura istopljenog olova i temperature unutar samog elementa hlađenja bile su takođe pažljivo izmerene na sedam različitih tačaka merenja.

Slika 1 prikazuje element hlađenja 1 upotrebljen u testovima i protočni kanal 2 unutar njega. Dimenzije rashladnog elementa bile su kao što sledi: visina 300mm, širina 400mm i debljina 75mm. Rashladna cev ili protočni kanal situirani su unutar elementa kao na Slici 1, tako da je centar horizontalnog dela cevi na slici bio 87mm od dna elementa i svaki vertiklani deo je bio 50mm od ivice ploče. Vodoravni deo cevi pravi se bušenjem i jedan kraj vodoravnog otvora se začepi (nije detaljno prikazano). Slika 1 takođe prikazuje mesto mernih tačaka temperature T1 - T7. Slika 2 prikazuje površinski oblik rashladnih kanala, a Tabela 1 sadrži dimenzije testiranih kanala elementa hlađenja i izračunate površine prenosa toplote po metru kao i površine prenosa relativne toplote.

Slike 3a - 3d pokazuju da su temperature elemenata hlađenja B, C i D bile niže pri svim brzinama toka vode za hlađenje od referentnih merenja uzetih od elementa hlađenja A. Međutim, pošto su se poprečni preseci toka pomenutih delova za testiranje morali napraviti sa različitim dimenzijama iz razloga tehničke proizvodnje, efikasnost prenosa toplote ne može se direktno porediti iz rezultata u Slikama 3a - 3d. Stoga su rezultati testiranja normalizovani kao što sledi:

Nepromenljivi transfer toplote između dve tačke može se zapisati:

Q = S xXx (T, - T2), pri čemu je

Q = količina toplote prenete između dve tačke [W]

S = faktor oblika (zavisan od geometrije) [m]

A= toplotna provodljivost medijuma [W/mK]

T, = temperatura tačke 1 [K]

T2= temperatura tačke 2 [K]

Primenom prethodno navedene jednačine na rezultate testiranja dobijene su sledeće količine:

Q = izmerena toplotna snaga prenesena na vodu za hlađenje

A= toplotna provodljivost bakra [W/mK]

T = temperatura na dnu elementa kako je izračunata u testovima [K]

T2= temperatura zida kanala kojim protiče voda kako je izračunata u testovima

[K]

S = faktor oblika za konačni cilindar zakopan u polubeskonačan medijum (dužina D, prečnik P) faktor oblika može se odrediti prema jednačini S = 27tD/ln(4z/P) kada je Z>1.5P,

z = dubina potapanja izmerena od linije centra cilindra [m].

Koeficijenti prenosa toplote određeni na prethodno navedeni način predstavljeni su na Slici 4. Prema analizama sa više promenljivih veličina dobija se vrlo dobra korelacija između koeficijenta prenosa toplote i brzine toka vode kao i količina toplote prenešena u vodu. Koeficijenti jednačine regresije prenosa toplote za svaki element hlađenja predstavljeni su u Tabeli 2.

Stoga je a[W/m<2>K] = c + a x v [m/s] + b x Q [kW].

Da bi se rezultati mogli porediti, zone poprečnog preseka kanala toka normalizovane su tako da količina toka vode odgovara istoj brzini tečenja. Dimenzije protočnog kanala i površina prenosa toplote normalizovani prema količini toka i njegovoj brzini predstavljeni su u Tabeli 3. Upotrebom dimenzija datih u Tabeli 3 za slučajeve A', B', C i D' i koeficijenata prenosa toplote određenih kao što je prethodno navedeno, razlika u temperaturi zida i vode za normalizovane slučajeve koji se tiču količine protoka izračunate su kao funkcija brzine protoka vode za količine toplote od 5, 10, 20 i 30kW putem jednačine

Rezultati su prikazani na Slici 5. Slika pokazuje da svi elementi hlađenja proizvedeni prema ovom pronalasku postižu izvesnu količinu prenosa toplote sa manjim razlikama u temperaturi između vode i zida kanala za hlađenje što ilustruje delotvornost postupka. Na primer, pri snazi hlađenja od 30kW i brzini tečenja vode od 3m/s, razlika u temperaturi između zida i vode u različitim slučajevima je :

Kada se rezultati uporede s površinama prenosa toplote, vidi se da je razlika u temperaturi između zida i vode koja je potrebna da prenese istu količinu toplote obrnuto proporcionalna površini prenosa relativne toplote. Ovo znači da promene na površini opisane u ovom pronalasku mogu znatno uticati na efikasnost prenosa toplote.

Claims (4)

1. Postupak za proizvodnju rashladne ploče pirometalurškog reaktora, pri čemu se ta ploča proizvodi klizećim livenjem visoko toplotno provodljivog bakra i ima najmanje jedan protočni kanal za rashladnu vodu, u osnovi okruglog ili ovalnog poprečnog preseka, koji se izrađuje u rashladnoj ploči tokom livenja, naznačen time, što se radi poboljšanja sposobnosti prenosa toplote rashladne ploče, površina zida najmanje jednog protočnog kanala unutar rashladne ploče povećava izradom jednog ili nekoliko žlebova unutar površine protočnog kanala pomoću ožljebljenog vretena tokom livenja ili mašinskom izradom navoja ili žlebova kao u cevi puške, posle livenja.

2. Postupak prema zahtevu 1, naznačen time, što su žlebovi kao u cevi puške napravljeni pomoću proširujućeg vretena.

3. Rahladna ploča pirometalurškog reaktora, proizvedena klizećim livenjem bakra visoke toplotne provodljivosti, a koja ima najmanje jedan protočni kanal za rashladnu vodu, u osnovi okruglog ili ovalnog poprečnog preseka, naznačena time, što je izrađena prema zahtevu 1 i radi povećanja sposobnosti prenosa toplote rashladnog elementa, površina zida najmanje jednog protočnog kanala unutar rashladnog elementa je povećana žlebovima, navojima ili žlebovima kao u cevi puške ili slično.

4. Rashladna ploča prema zahtevu 3, naznačen time, što su cevni žlebovi izrađeni proširujućim vretenom.